航空工业是一直是CFD发展的主要推动力,CFD技术已经渗透到航空工业的各个设计环节,FLUENT在我所的主要应用包括:飞行器外流场计算,气动弹性模拟、弹体投放、发射及变姿态飞行的过程模拟,燃油系统模拟、环控系统模拟。

1.1 FLUENT模拟F18外流场


                                                             图4.1  F18全机表面压力分布

FLUENT在飞行器的气动外形设计中得到广泛应用。图4.1是采用FLUENT对美国F18战机进行的全机模拟。数值模拟对机体外形没有简化,此外对进气道等机体内部流道也进行了模拟。该模拟考虑粘性,不仅在小攻角的情况可以准确地模拟气流的流动,在大攻角的情况也非常准确地捕捉到了分离现象,有非常高的模拟精度。

1.2 FLUENT计算大迎角工况

在成都611所,利用FLUENT分析飞机低速大迎角工况,FLUENT的计算结果如图4.2所示。


                                          图4.2  计算与实验的比较

1.3 FLUENT模拟地效飞行器流场

地效飞行器是上世纪中后期新兴的一种特种飞行器,其飞行借助于地面效应,实现贴近水面或地面的高速航行。北京大学力学系长期致力于地面效应的研究,曾利用FLUENT研究了我国新型地效飞行器DXF-100的飞行性能,研究由机翼弦向引起的地面效应现象显著的飞行高度范围,计算升力系数随飞行高度的变化曲线,特别关心是否存在升力陡降的情况,以及出现的条件,同时计算对比不同的地面边界条件对飞行器性能的影响。图为不同边界条件下升力系数随高度的变化。


                                                图4.3  地效飞机模型和升力系数

1.4 FLUENT模拟阿帕奇直升机发射导弹过程

美国国防部门发现阿帕奇直升机发射地狱火反坦克导弹过程中的导弹残片可能危及直升机的旋翼及尾桨。为了改善了直升机的安全性,采用了FLUENT对直升机发射导弹过程进行了详细的模拟,图是一携带两枚地狱火导弹处于满载盘旋状态下的直升机表面的压力分布,模拟考虑了旋翼产生的下洗流动、发动机出口的喷射流场以及导弹的羽流之间的相互作用,计算表明发动机出口的喷射流场及导弹的羽流受直升机旋翼下洗流场的影响非常严重,流迹偏向直升机的左侧。因此当左侧的导弹发射时,残片被流场卷带到直升机左侧,不会破坏机体及旋翼。而当右侧的导弹发射时,在某些飞行状态下残片就有可能撞击到直升机机身上。

                           图4.4  阿帕奇直升机发射导弹过程

1.5 工程应用举例FLUENT模拟投弹过程

FLUENT具有专门针对投弹问题的六自由度模型,因此可以模拟弹体飞行过程中的弹道和水下兵器投放巡航过程。

图4.5模拟的是一枚炸弹从载体上投放的整个过程中网格的变化,弹体的飞行轨迹可以由不同时刻加载在整个弹体的气动力计算得到。从图中可以清楚的看到整个弹体下落姿态的变化都被准确地捕捉到。


                                   图4.5  投弹过程模拟

1.6 FLUENT模拟机弹分离过程

为了验证FLUENT多体分离模型,FLUENT公司和美国空军联合对机弹分离过程进行了数值模拟,得出对应用多体分离模型具有指导意义的结论。

图为模拟对象,包括机翼和弹体。模拟工况分别为0.9和1.2马赫,计算目的是获得导弹的表面压力和轨迹信息。

                                           图4.6  计算几何模型

利用GAMBIT生成表面网格,TGRID生成体网格,网格类型为完全四面体的非结构化网格。为了比较网格密度对计算结果的影响,分别划分了3.5万、20万、90万三种不同密度的网格进行计算。

计算结果表明:三种不同密度网格的模拟结果都能够令人满意,轨迹信息和实验吻合较好。其中20万网格的计算结果和美国空军自己程序的150万网格的模拟结果相同。图4-7为FLUENT模拟得到的随时间发展弹体运动姿态变化与实验结果的比较,图中蓝色弹体为计算结果,阴影部分为实验结果。



           图4.7  随时间发展弹体轨迹变化

1.7 FLUENT联合NASTRAN软件完成导弹的静气动弹性分析

导弹和火箭的结构一般均为细长体,在某些情况下由于气动载荷的作用,弹体会发生扭转,直接影响弹体结构的强度及气动特性,最终影响武器的效能。图4-8为采用Fluent软件和Nastran软件共同模拟的一个弹体结构及流场耦合问题的网格,飞行参数为马赫数2.71,攻角3度。通过Fluent软件可以求解出弹体在飞行过程中弹体表面的压力分布及外部的流场,通过Fluent软件的输出接口,可以直接将压力分布数据输出成Nastran可以读入的格式,Nastran软件根据这些压力分布分析结构特性,分析完成后,将结构的变形反馈给Fluent软件,再进一步分析流场,从而完成了流场及结构的耦合分析。

                                                    图4.8  弹体静气弹性模拟

1.8 低噪声着陆分析

在繁忙的机场内起落架噪声并不是引起噪声污染的首要因素,而占主导地位的发动机噪声在过去的三十年内的明显降低便使得机身噪声成为了飞机着陆时噪声的主要部分。飞机着陆时机身噪声主要源于大升力装置和起落架,研究表明,对于中等尺度飞机,大升力装置是主要噪声源,而对于大飞机(如波音777),起落架则是主要噪声源。

起落架是复杂的、非流线几何形体,会产生高湍流尾涡,涡脱落后形成强噪声,声谱很宽,从几百Hz到几千Hz。如果能够准确预测噪声,就可以在设计阶段放置导流板或结构流线化。因此迫切地需要工程方法来预测复杂流场,评估噪声水平。

为了准确捕捉声音,湍流场的模拟必须具有较高的精度,由于湍流是非定常现象,需要进行瞬时模拟。能够由近场的数模结果来预计远场声音信号的积分方法是一种有前途且经济的模拟声强模型,目前普遍采用的积分方法源于FW-H方程。

本文采用Fluent软件模拟波音757的起落架。流场模拟采用大涡模拟方法(Smagorinsky亚格子湍流模式)。使用Gambit软件修复CAD几何模型, Gambit和Tgrid联合创建网格。在Gambit中使用尺度函数形成高质量表面网格,边界层柱形网格则由Tgrid生成,从而实现对远离边界层的四面体网格的增长速度和连续性的控制。总网格数为530万,适于大涡模拟,网格分布见图4.9。

 

                   图4.9  表面的三角形网格

图4.10给出起落架的表面压力分布,图4.11为流场内涡量等值面。图4.12为距离起落架1m五个位置的声压分布。距离起落架上、下游10倍轮径处的声强比两个水平方向低4dB。图4.13为四个水平位置声压谱。

 

                           图4.10  表面压力分布

图4.11  流场内涡量等值面 

                    图4.12  距离起落架1m五个位置的声压分布

                                 图4.13  水平方向四个位置声压谱

1.9 气动加热模拟

国外研究机构采用FLUENT对火星探路者号飞船进入火星大气层进行了数值模拟,其中飞船速度高达6km/s,由于气动加热,飞行器头部温度高达15000k,将发生非常复杂的化学反应。在FLUENT的模拟中考虑了八种化学成分(CO2、CO、C、O、O2、N2、N、NO)和14种反应。图22(左)是火星探路者飞船表面的温度分布,前缘处由于气动加热,温度非常高,气体发生离解,图4.14(右)是沿滞止线由于化学反应生成的各种成分的含量。

图4.14  FLUENT对飞船的数值模拟,温度分布(左),化学反应各种成分含量(右)

1.10结冰和除冰模拟

1.10.1  收集效率的计算

当大气的水滴撞击机翼时,收集效率的准确计算对于防冰系统的设计是非常重要的。FLUENT软件可以成功的模拟这个参数。图4.15是NACA-0012翼型0.4 马赫数工况时水的体积分数。

在FLUENT软件中有两个模型适合于计算收集效率它们是:

  •  DPM模型
  •  欧拉多相流模型

                                      图4.15  0.4 马赫数工况时水的体积分数         

图4.16 DPM模型和欧拉多相流模型的收集效率比较

对于轻载条件(液滴的体积分数小于1%),两个模型的预测结果完全相同如图4.16所示。

图4.17是波音737 机翼底部和引擎舱的收集效率云图,采用的是欧拉多相流模型模拟直径为16微米的水滴。

                                 图4.17  机翼底部和引擎舱的收集效率云图

图4.18是计算结果和实验结果的比较。

                             图4.18  计算结果与试验结果的比较

1.10.2 结冰对气动力影响

FLUENT软件中的动网格技术可以精确的评价结冰对气动力的影响,利用FLUENT的动网格精确的描述结冰后外形的改变,外形的改变由动网格技术自动实现,这样就可以得到结冰后的气动力。

1.11 FLUENT准确捕捉喷管中的激波

下图是某喷管对称面的速度云图,下图显示FLUENT软件可以精确的模拟喷管中的激波。FLUENT软件独有的基于计算结果的自适应技术在这里发挥了关键性作用。

                                                   图4.19  喷管中的速度云图

1.12 斜切喷管的流场计算

下图是某斜切喷管的计算结果。说明FLUENT软件可以模拟任意形状的喷管

                               图4.20  斜切喷管的网格及压力云图